空氣源熱泵輔助加熱太陽能熱水系統熱性能研究

  0  引 言

 

  目前, 我國建筑能耗(包括建造能耗、生活能耗、采暖空調等)約占全社會總能耗的30 %[ 1] 。隨著國民經濟的發展、人民生活水平的提高, 這一比例還將進一步上升, 給電力供應帶來較大的壓力。為降低建筑能耗, 太陽能的開發利用得到了越來越廣泛的重視。太陽能熱水器具有節能及環保等優勢, 在太陽能資源較豐富的地區得到了一定的應用。但常規太陽能熱水器易受氣候的影響, 不能全天候運行。

 

  熱泵作為一種高效節能裝置, 其應用日益普及。

 

  將熱泵技術與太陽能熱水系統有機地結合起來, 可彌補后者的不足, 實現高效、全天候運行。本文結合昆明市某空氣源熱泵輔助加熱太陽能熱水系統工程實例, 測試分析了實際工況下系統的熱性能。

 

  1 空氣源熱泵輔助加熱太陽能熱水系統結構及運行模式

 

    1.1  系統結構

 

  空氣源熱泵輔助加熱太陽能熱水系統主要由太陽能熱水子系統、空氣源熱泵機組、熱水箱及水閥構成, 系統組成如圖1 所示。該空氣源熱泵輔助加熱太陽能熱水系統用于昆明市某單位職工住宅樓集中供生活熱水, 為便于運行調節, 采用4 臺相同的空氣源熱泵機組進行輔助加熱。基于昆明地區的氣候條件, 對太陽能集熱器、熱水箱、空氣源熱泵機組進行優化匹配.

 

  1.2  系統運行模式

 

  循環水泵根據集熱器進出口循環水的溫差由1個溫差控制器進行控制, 其運行與空氣源熱泵機組無關。太陽能熱水子系統產生的熱水蓄存于熱水箱1 中。3 個水閥(V1 、V2 與V3)由1 個可編程邏輯控制器PLC 控制。當熱水箱1 中上部的水溫高于50℃時,V2 開啟,V1 、V3 關閉, 太陽能熱水子系統直接向用戶供生活熱水, 空氣源熱泵輔助加熱太陽能熱水系統以常規的太陽能熱水器模式運行。當熱水箱1 中上部的水溫低于45 ℃時,V2 關閉,V1 、V3 開啟,太陽能熱水子系統產生的低溫熱水進入熱水箱2 ,由空氣源熱泵機組進一步加熱。空氣源熱泵機組同樣由可編程邏輯控制器PLC 控制, 空氣源熱泵機組的運行臺數根據熱水箱2 中上部的水溫進行確定。

 

  在實際運行過程中, 熱水箱2 中上部的水溫控制在48 ～ 55 ℃。

 

  2  空氣源熱泵輔助加熱太陽能熱水系統熱性能分析2.1  系統性能指標對于太陽能熱水系統, 其日平均熱效率ηday 由下式計算:

 

  ηday = 熱水箱1 的得熱量集熱器采光面上的太陽輻射能= ρw cw Vw1(t -t 0)∫Ac I(t)dt(1)式中, ρw 為水的密度, kg m3 ;cw 為水的定壓比熱, kJ(kg·℃);Vw1 為熱水箱1 的容量,m3 ;t 、t 0 分別為1天中熱水箱1 中平均初溫與終溫, ℃, 采用熱電偶溫度傳感器測量;Ac 為集熱器的采光面積, m2 ;I(t)為集熱器的采光面上的瞬時總太陽輻射, 采用總太陽輻射表測量。

 

  2.2  測試結果與分析

 

  該空氣源熱泵輔助加熱太陽能熱水系統于

 

  2005 年10 月投入使用。在昆明地區各種典型氣候條件下, 筆者對其進行了一系列性能測試。在測試日中, 太陽能熱水子系統熱效率的測試時段為9 :00～ 17 :00 ;如需空氣源熱泵機組進行輔助加熱, 空氣源熱泵機組的運行與測試時段控制在17 :00 ～21 :00 。供應生活熱水的時間控制在當天17 :00 以后。在非測試日中, 系統由控制箱自動控制, 全天供水。典型的測試結果如表2 所示。分析可知, 全年當中, 太陽能熱水子系統的日平均熱效率在38 %～50 %, 當日總太陽輻射高于20.8MJ (m2 ·d)時, 無需開啟空氣源熱泵機組, 太陽能熱水子系統即可滿足用戶生活熱水需求。在昆明地區的最冷月(1 月),空氣源熱泵機組的供熱系數COP 仍可達2.5 ～ 3.3 。

 

  此外, 對于該空氣源熱泵輔助加熱太陽能熱水系統,太陽能保證率約為81 %。

 

  3  空氣源熱泵輔助加熱太陽能熱水系統經

 

  濟性分析

 

  昆明地區全年晴天較多, 年均日照時間為2 250 h左右, 日照率為56 %, 年均總輻射量高達5 200MJ m2 , 太陽能輻射資源十分豐富。基于昆明地區的氣候條件及空氣源熱泵輔助加熱太陽能熱水系統的熱性能測試結果, 以電加熱熱水系統為參照,對空氣源熱泵輔助加熱太陽能熱水系統采用成本效益法進行經濟性分析。系統的節能收益包括太陽能熱水子系統的熱收益和空氣源熱泵機組的節能收益, 前者按系統的太陽能保證率計算, 后者按其平均供熱系數計算。經濟性分析計算結果如表3 所示。

 

  分析可知, 系統的投資回收期約為6.7 a 。質量合格的太陽能熱水系統及空氣源熱泵機組的使用壽命均可達10 a 以上。可見, 空氣源熱泵輔助太陽能熱水器, 不僅具有較大的節能潛力, 在經濟上也是可行的。

 

  4  結 論

 

  本文介紹了一種空氣源熱泵輔助加熱的太陽能

 

  熱水系統, 并在昆明地區氣候條件下對該系統的熱力性能進行了測試分析。測試結果表明:

 

  1)通過合理的部件匹配, 昆明地區氣候條件下

 

  空氣源熱泵輔助加熱的太陽能熱水系統的太陽能保證率可達81 %。在全年最冷月(1 月), 空氣源熱泵機組的供熱系數COP 仍可達2.5 ～ 3.3 。

 

  2)在昆明地區使用空氣源熱泵輔助加熱的太陽能熱水系統, 不僅具有較大的節能潛力, 其經濟性方面也是可行的。